基于連續波多普勒的超聲成像系統設計

　　摘要：

　　連續波多普勒(CWD)接收器新一代解決方案采用了已經(jīng)投產(chǎn)的高集成度、雙極型放大器和CWD混頻器/波束成型芯片組。新方案能夠保證CWD接收機無(wú)法做出妥協(xié)的診斷特性。采用雙極型放大器和CWD混頻器波束成型電路能夠使系統達到“高端”CWD的指標，在下一代結構緊湊的超聲設備中有效改善診斷工具的性能。

　　典型的相控陣CWD(連續波多普勒)架構中，超聲傳感器的聚焦孔徑分成兩部分，一半的（64至128個(gè)）傳感器單元用于發(fā)送器，另一半用于接收器。作用在發(fā)射單元的信號是方波信號，典型頻率為2.0 MHz至7.5 MHz多普勒頻率。發(fā)射單元通過(guò)發(fā)送適當相位的信號聚焦發(fā)射波束。同樣，CWD接收信號通過(guò)對每個(gè)接收單元的信號進(jìn)行相位調整、求和進(jìn)行聚焦?！　?/P>

　　“波束成型”CWD接收信號是由固態(tài)組織反射的強信號(通常稱(chēng)其為雜波)以及流動(dòng)的血液反射回來(lái)的較弱的多普勒信號。每個(gè)相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達100mVp-p，而接收機RTI的噪底只有1至2nV/。為了優(yōu)化接收性能，需要每通道的SNR達到155dBc/?！　?/P>

　　對于一個(gè)64通道的CWD接收機，考慮到求和增益，求和后的“波束成型”信號需要額外的18dB動(dòng)態(tài)范圍，整體信噪比SNR的要求會(huì )達到173dBc/！更加困難的是，感興趣的低速多普勒信號的頻率會(huì )在1kHz以?xún)然虻陀陔s波信號。由此可見(jiàn)超聲檢測設備面臨巨大的設計挑戰。目前，超聲系統大多采用模擬延時(shí)線(xiàn)接收器實(shí)現CWD信號檢測(圖1)，來(lái)自超聲接收單元的輸入信號經(jīng)過(guò)緩沖、放大，低噪聲放大器提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉換成電流信號，隨后通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)和模擬延時(shí)線(xiàn)進(jìn)行波束成型。這種架構很容易集成，因為他所需要的電壓-電流轉換器、模擬開(kāi)關(guān)、無(wú)源延時(shí)線(xiàn)以及單路I/Q混頻器很容易集成。通過(guò)配置交叉開(kāi)關(guān)求和，通過(guò)適當的延時(shí)線(xiàn)抽頭切換信號，達到每個(gè)接收器的延時(shí)要求?！　?/P>

　　波束成型后的RF CWD信號混頻后得到基帶I、Q信號，這兩路信號經(jīng)過(guò)帶通濾波后進(jìn)行數字轉換。RF至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證SNR的瓶頸，這個(gè)處理過(guò)程對CWD的性能影響較大，對于64通道設計示例，I、Q RF混頻器需要在處理波束成型信號時(shí)具有173dBc/ (1kHz頻偏)的動(dòng)態(tài)范圍。能夠達到這一指標的混頻器很難實(shí)現，此外，本振驅動(dòng)信號還必須保持極低的抖動(dòng)。遺憾的是很難從市場(chǎng)上獲得能夠達到這樣指標的邏輯器件—雖然CWD延時(shí)線(xiàn)能夠滿(mǎn)足結構緊湊的超聲系統的最低要求，因此，上述性能的局限性是亟待解決的問(wèn)題。

圖1 基于CWD延時(shí)線(xiàn)的接收機簡(jiǎn)化電路　　

　　為了獲得更高性能，在CWD系統中引入一個(gè)CWD混頻器/波束成型器，簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。該架構中，每個(gè)通道都具有一個(gè)I/Q混頻器，在基帶端(而非RF端)進(jìn)行波束成型求和；每路I/Q混頻器的LO相位可以調節在N (N = 8至16相)個(gè)相位中的一種。LO相位的變化將改變接收信號的相位，達到波束成型的目的?！　?/P>

　　由于混頻器的實(shí)現基于每個(gè)通道，對每個(gè)通道混頻器的要求可以降低到155dBc/Hz (1kHz頻偏)。這一指標雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標準邏輯器件可以實(shí)現?；祛l器輸出為電流，而且在基帶進(jìn)行無(wú)源求和，可以滿(mǎn)足CWD波束成型的SNR要求。

圖2 低功耗LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡(jiǎn)化CWD接收機設計，獲得高性能　　

　　過(guò)去，由于缺乏適當的集成工藝，很難實(shí)現高性能的波束成型架構。但目前這一問(wèn)題已經(jīng)得到解決，完全集成的8通道VGA和8通道CWD I/Q混頻器以及配套的可編程LO驅動(dòng)器已經(jīng)開(kāi)始供貨，圖3所示給出了這類(lèi)器件MAX2038接收鏈路的示圖。采用這種架構可以使超聲系統達到優(yōu)異的CWD性能，不存在上述延時(shí)線(xiàn)CWD架構的局限性。

圖3 簡(jiǎn)化后的單通道超聲接收機，采用MAX2038單芯片8路I/Q混頻器和MAX2034 4路LNA，有效提高系統性能　　

　　構建CWD接收器的另外一個(gè)潛在問(wèn)題是LNA放大器的SNR指標，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設計人員選擇了CMOS LNA，這樣的器件可能適合某些能夠控制CWD性能的應用。利用幾何尺寸低于0.35μm的CMOS工藝制作放大器時(shí)，1/f噪聲很大。這種噪聲會(huì )引起LNA增益的低頻調制。較強的RF CWD雜波通過(guò)這種LNA時(shí)將產(chǎn)生較大的低頻調制噪聲，從而降低SNR指標和CWD檢測靈敏度。因此，為了滿(mǎn)足高性能的應用需求，應選擇類(lèi)似于MAX2034 4通道超聲LNA的雙極型低噪聲放大器。